پیل­های سوختی مبدل­های انرژی ایستا می­باشند که انرژی شیمیایی سوخت را به طور مستقیم به انرژی الکتریکی جریان مستقیم تبدیل می­کنند. پیل های سوختی بر خلاف موتورهای احتراقی متداول، انرژی ناشی از یک سوخت را به طور مستقیم و بدون یک مبدل میانی (تبدیل به انرژی مکانیکی)، به انرژی الکتریکی تبدیل می­کنند.

از شروع قرن بیست و یکم، تکنولوژی­های پیل­ سوختی رشد چشم گیری داشته­اند و تعداد واحدهای پیل سوختی نصب شده سریعاً در حال افزایش است. انتظار می­رود که تکنولوژی پیل سوختی در نیمه­ی اول قرن بیست و یکم همانند کامپیوتر در نیمه­ی دوم قرن بیستم پیشرفت کند. اگرچه موانع زیادی مانند مسائل تکنولوژی و همچنین اقتصادی وجود دارد که قبل از اینکه پیل سوختی بتواند به عنوان منبع قابل اتکای انرژی در نظر گرفته شود، باید بر آنان غلبه کرد. انتظار می­رود که در آینده با تحقیقات و بررسی­هایی که روی پیل‌های سوختی انجام می‌شود، در نیمه اول قرن بیستم پیل های سوختی به عنوان یک منبع قابل اطمینان و سریع مورد استفاده قرار گیرند.

  اقتصاد هیدروژنی

اقتصاد هیدروژنی اشاره به اقتصادی دارد که در آن هیدروژن به عنوان سوخت تجاری با ارزش که می­تواند بخش با ارزشی از مواد و خدمات مبتنی بر انرژی کشور در نظر گرفته شود. این دیدگاه بر پایه­ی دو انتظار استوار است:

• اینکه هیدروژن را بتوان از منابع انرژی داخلی به طوریکه به لحاظ اقتصادی به­صرفه بوده و از نظر محیط زیستی سالم باشد، تولید کرد؛
• اینکه فواید استفاده از پیل سوختی بر پایه­ی هیدروژن بتواند سهم بازار را در رقابت با منابع تولید انرژی مرسوم بدست آورد.

روند فزاینده استفاده از هیدروژن به عنوان حامل سوخت می تواند بسیاری از نگرانی­های استفاده از سوخت های فسیلی سنتی را، که شامل امنیت انرژی و کیفیت محیط زیست می باشد، سرو سامان بدهد. با وجود مزایای جذاب آن، گذار به اقتصاد هیدروژنی با چالش های چندگانه همراه است. عواملی نظیر تولید، بکارگیری، ذخیره، توزیع، انتقال و برنامه­های تشویقی دولت برای ارتقاء اقتصاد هیدروژن بسیار اهمیت دارد.

هیدروژن کالایی است که برای حمل در مقیاس وسیع خواه به شکل مایع، خواه از طریق لوله یا سیلندر­های تحت فشار مشکلات عدیده­ای دارد. بر مبنای وزن، هیدروژن ظرفیت انرژی بالاتری نسبت به بنزین دارد (120 مگاژول در کیلوگرم برای هیدروژن در برابر 44 مگاژول در کیلوگرم برای بنزین) اما بر مبنای حجم، ظرفیت انرژی بنزین خیلی بیشتر از هیدروژن است (3 مگاژول در لیتر برای هیدروژن در PSI 5000 و 8 مگاژول در لیتر برای هیدروژن مایع و 32مگاژول در لیتر برای بنزین).

اصول کلی عملکرد پیل های سوختی

ساختار کلی پیل سوختی شامل دو الکترود به نام­های آند و کاتد و یک ماده دی­الکتریک در بین آنها می باشد. مولکول های هیدروژن و اکسیژن بر اساس واکنش زیر در شرایط استاندارد (1 اتمسفر و 25) با هم ترکیب شده و آب را تشکیل می دهند.

رابطه 1:

اساس این فرآیند که در شکل 1 نشان داده شده، به این صورت است که با تجزیه مولکول های هیدروژن به الکترون­ها و پروتون­ها با کمک یک کاتالیزور، پروتون­ها در الکترولیت از کاتد به سمت آند حرکت می­کنند اما الکترون­ها نمی‌توانند از این مسیر عبور کنند. الکترون­ها از طریق مدار الکتریکی خارجی (بار) حرکت می­کنند تا مجدداً با پروتون­های هیدروژن و مولکول­های اکسیژن در کاتد ترکیب شوند و آب را تولید کنند.

شکل 1:‌ اساس عملکرد یک پیل سوختی با فلوی پروتون درون الکترولیت

انواع پیل های سوختی

پیل های سوختی بطور کلی با توجه به نوع ماده الکترولیت مورد استفاده به دسته­ی دما-پایین و دما-بالا طبقه بندی می­شوند. پیل­های سوختی دما-پایین عموماً محدود به °C 200 یا کمتر از آن هستند. متدا ول­ترین پیل­های سوختی دما-پایین، پیل­ سوختی آلکالین[1](AFC)، پیل­ سوختی فسفریک اسید[2] (PAFC) و پیل­ سوختی غشاء الکترولیتی پلیمری[3] یا غشاء تبادل پروتون[4] (PEMFC) هستند. در پیل­های سوختی دما-بالا، ‌مونوکسید کربن و هیدروکربن‌ها مثل CH₄ می­توانند در داخل پیل به هیدروژن تبدیل شوند و یا مستقیماً اکسید شوند. رایج ترین این نوع پیل­ها، پیل سوختی کربنات مذاب[5] (MCFC) با دمای کارکرد °C 600-700 و پیل سوختی اکسید جامد[6] (SOFC) با دمای کارکرد °C 600-1000 می­باشند.

جدول 1 مقایسه ای بین اجزای تشکیل دهنده و حالت­های عملیاتی پنج نوع پیل­سوختی بیان شده را نشان می­دهد. جدول 2 به طور خلاصه مزایا و عملکرد و کاربردهای پیل­های سوختی را ارائه می­کند.

جدول 1.‌ مقایسه اجزای مهم و ویژگی­های انواع مختلف پیل­های سوختی

جدول 2. مقایسه انواع مهم پیل­های سوختی

پیل­های سوختی PEM معمولا از پلیمر جامد (پلیمر اسید سولفوریک فلوراید یا پلیمرهای مشابه دیگر) به عنوان الکترولیت استفاده می­کنند. مولکول­های هیدروژن با کمک کاتالیست­های پلاتینیوم در آند به الکترون و پروتون هیدروژن تجزیه می­شوند. پروتون­های هیدروژن از میان لایه الکترولیت عبور کرده و به سطح کاتد می­رسند. در آنجا با الکترون­هایی که از طریق مدار خارجی از آند به کاتد رسیده اند، ترکیب می­شوند و آب تشکیل می­شود. شکل2، دیاگرام شماتیک و واکنش های شیمیایی پیل­سوختی PEM را نشان می­دهد.

شکل 2: دیاگرام شماتیک و واکنش های شیمیایی PEMFC

پیل­های سوختی PEM چگالی توان بالایی دارند و سریع شروع به کار می­کنند و بازده الکتریکی آنها در محدوده 40 تا 50 درصد می­باشد و دارای ویژگی راه­اندازی سریع نیز هستند.

3-2-1-  مدار معادل پیل های سوختی

معادله NERNST ولتاژ هر سلول پیل سوختی را توسط رابطه 1 بیان می­کند:

رابطه 1:

که در آن؛

به طور کلی ولتاژی که در ترمینال­های هر سلول پیل سوختی قرار می­گیرد،‌ از ولتاژی که در داخل پیل سوختی ایجاد می شود کمتر است. این امر در اثر افت ولتاژ فعالسازی[7]، افت ولتاژ اهمی[8] و افت ولتاژ اشباع[9] ایجاد می­گردد که در شکل 3 نشان داده شده است. این افت ولتاژها تابعی از جریان بار و دمای و یا فشار پیل سوختی می­باشد. افت ولتاژ اهمی، یک تابع خطی از جریان بار پیل سوختی می باشد اما مقاومت اهمی (R_ohm,cell) معمولا تابعی از دمای پیل سوختی است. افت ولتاژهای فعالسازی و اشباع، تابعی غیرخطی از جریان بار و همچنین فشار و یا دمای داخلی پیل سوختی می­باشد.

شکل 3: مدار معادل الکتریکی پیل سوختی

می توان ولتاژ خروجی پیل سوختی را به صورت زیر بیان کرد.

که در آن، V_cell و E_cell به ترتیب ولتاژ خروجی و ولتاژ داخلی پیل سوختی و V_act,cell، V_ohm,cell و V_conc,cell افت ولتاژهای ذکر شده می­باشند. علاوه بر جریان بار پیل سوختی، فشار و دما، ظرفیت ذخیره انرژی الکتریکی پیل­های سوختی معمولا پاسخ دینامیکی آن­ها را تحت تاثیر قرار می­دهند. این اثر که برای اکثر پیل­های سوختی رایج است، باعث می­شود که آن­ها مثل یک خازن بزرگ (در حدود چند فاراد) عمل کنند که به آن­ها خازن اثر شارژ دو لایه­[10] گفته می­شود.

3-2-2- خازن اثر شارژ دو لایه

در پیل های سوختی،‌ دو الکترود توسط الکترولیت از هم جدا شده اند و دو لایه مرزی تشکیل شده است که لایه های آند-الکترولیت و کاتد-الکترولیت می‌باشند. این دو لایه باردار با پلاریته مخالف یک مرز بین الکترولیت و الکترودها تشکیل می­دهند. این لایه ها به عنوان لایه­های دوبل الکتروشیمیایی شناخته شده اند که می توانند انرژی الکتریکی را ذخیره کنند و همانند یک خازن عمل نمایند. شکل 4 (سمت چپ) یک نمونه از چگونگی قرارگیری یون­های منفی و مثبت در سطح متخلخل الکترود و اثر خازنی ایجاد شده را نشان می­دهد.

شکل 4: اثر شارژ دولایه در یک الکترود پیل سوختی صفحه ای و مدار معادل آن

معادله 3:

در معادله 3، ε ثابت دی الکتریک الکترولیت، A سطح موثر بین الکترولیت و الکترودها و l فاصله بین لایه­ها است. در یک پیل سوختی واقعی به خاطر ساختار متخلخل الکترودها، A بزرگ و l خیلی کوچک (در حد نانومتر) می­باشد که موجب بزرگ شدن ظرفیت خازنی(در حدود صدها میکروفاراد تا چند فاراد) می­گردد. مدار معادل پیل سوختی شکل 3 برای نشان دادن اثر شارژ دولایه، ‌می­تواند به صورت شکل 4 (سمت راست) اصلاح شود. در این شکل R_act,cell، R_ohm,cell و R_conc,cell، مقاومت­های فعال­سازی، اهمی و اشباع می­باشند. این پارامترها در فصل آینده برای پیل سوختی PEM ارائه خواهد شد. از شکل 4 می­توان ولتاژ خازن را به صورت زیر بیان نمود.

رابطه 4:

طبق شکل 4 و رابطه 4، تنها مقاومت­های فعال­سازی و اشباع روی ثابت زمانی مدار اثر می‌گذارند ( ). این امر به این دلیل است که اثر واکنش­های الکتروشیمیایی داخل پیل سوختی تنها بر روی این دو مقاومت تغییر ایجاد می­نماید و مقاومت اهمی، مقاومتی است که در اثر افت ولتاژ اهمی لحاظ شده است. ولتاژ خروجی پیل سوختی می تواند به صورت زیر بیان شود.

رابطه 5:

با توجه به رابطه 5 ولتاژ خروجی پیل سوختی مقداری متغیر دارد زیرا  تابعی از زمان با ثابت زمانی زیر است.

[1] Alkaline Fuel Cell

[2] Phosphoric Acid Fuel Cell

[3] Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell

[4] Proton Exchange Membrane Fuel Cell

[5] Molten Carbonate Fuel Cell

[6] Solid Oxide Fuel Cell

[7] Activation Voltage Drop

[8] Ohmic Voltage Drop

[9] Concentration Voltage Drop

[10] Capacitance of Double Layer Charge Effect